隨著5G時(shí)代的到來，物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)快速發(fā)展。信息基礎(chǔ)設(shè)施日益完善，全球時(shí)空大數(shù)據(jù)呈爆發(fā)式增長(zhǎng)。在這樣的時(shí)代背景下，如何實(shí)現(xiàn)空間感知和空間認(rèn)知的智能化，在正確的時(shí)間和正確的地點(diǎn)把正確的數(shù)據(jù)、信息、知識(shí)推送給需要的人，實(shí)現(xiàn)空間信息的實(shí)時(shí)智能服務(wù)?本期邀請(qǐng)中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)工程院院士李德仁詳細(xì)解讀。
5G的典型技術(shù)特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景
5G是第五代移動(dòng)通信技術(shù)，5G下載的速率理論上可以達(dá)到20GB/秒，是4G時(shí)代的20倍。如果說4G改變生活，5G將改變整個(gè)社會(huì);如果說4G服務(wù)于人，5G就支持萬物互聯(lián)。
5G有三個(gè)典型的技術(shù)特點(diǎn)：5G能提供增強(qiáng)移動(dòng)帶寬;海量機(jī)器類通信;超高可靠低時(shí)延通信。有了這三個(gè)特點(diǎn)，高清視頻，VR、AR或交互現(xiàn)實(shí)等都能實(shí)現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)智慧物流、環(huán)境智能監(jiān)管、智慧城市或智能城市的計(jì)算，可以應(yīng)用于自動(dòng)駕駛、機(jī)器人無人操作、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程醫(yī)療、智能電網(wǎng)。
5G典型的垂直行業(yè)應(yīng)用：比如，視頻識(shí)別分析，包括人臉識(shí)別、移動(dòng)檢測(cè)和全景的實(shí)時(shí)監(jiān)控，有了5G就可以視頻識(shí)別實(shí)時(shí)化。
VR/AR虛擬顯示和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)能做到呈見式漫游。每個(gè)人戴智能眼鏡就可以看報(bào)紙，打電話。工業(yè)物聯(lián)應(yīng)用，包括智能制造、智慧醫(yī)療、無人機(jī)通信等。車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于智能交通領(lǐng)域，可以建立汽車輔助安全駕駛系統(tǒng)，來提高交通效率。
5G產(chǎn)業(yè)的發(fā)展要注重研發(fā)核心元器件和典型示范應(yīng)用。垂直行業(yè)的應(yīng)用面臨一個(gè)跨界融合的問題，運(yùn)營(yíng)商在5G建網(wǎng)時(shí)要研究如何降低成本。因?yàn)?G的基站非常密集，建設(shè)成本非常高。如何降低成本、解決它的應(yīng)用創(chuàng)新問題，是5G產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要突破的難點(diǎn)。
5G不可能覆蓋全部陸地，而陸地在地球上只占了29%，所以5G需要靠6G衛(wèi)星通信來補(bǔ)充。
6G技術(shù)是把陸地?zé)o線通信技術(shù)和中高低軌的衛(wèi)星移動(dòng)通信技術(shù)及短距離直接通信技術(shù)融合在一起，解決通信、計(jì)算、導(dǎo)航、感知等問題，組建空、天、地、海泛在的移動(dòng)通信網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)全球覆蓋的高速寬帶網(wǎng)。
也就是說，6G是空天地海泛在的移動(dòng)通信網(wǎng)，會(huì)涉及很多數(shù)據(jù)。天上的衛(wèi)星、飛艇、飛機(jī)、無人機(jī)，地面的車輛、無人駕駛車等都會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)，手機(jī)軌跡記錄的數(shù)據(jù)、視頻軌跡記錄的數(shù)據(jù)、定位數(shù)據(jù)、刷卡數(shù)據(jù)……這些構(gòu)成一個(gè)城市的軌跡大數(shù)據(jù)。
5G時(shí)代，地球空間信息服務(wù)可以做到社會(huì)化與大眾化，空間信息服務(wù)要從二維走向?qū)嵕叭S。
跟二維相比，三維信息完整、語(yǔ)音信息豐富，空間關(guān)系是精準(zhǔn)的，三維實(shí)景模型是把室內(nèi)室外、地上地下、水上水下各種精準(zhǔn)三維的幾何信息，豐富的語(yǔ)音數(shù)據(jù)信息，準(zhǔn)確的空間關(guān)系按細(xì)節(jié)來表達(dá)的一個(gè)空間數(shù)據(jù)集市，表達(dá)直觀，便于分層，用于各種空間分析和輔助決策，把數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)、功能為一體的三維數(shù)據(jù)智能表達(dá)，所以它是一個(gè)完整的數(shù)據(jù)模型。
建立位置精準(zhǔn)、基準(zhǔn)統(tǒng)一、屬性豐富、數(shù)據(jù)完備的實(shí)景三維數(shù)據(jù)模型，關(guān)鍵是精準(zhǔn)空間信息的獲取，多元空間大數(shù)據(jù)的增強(qiáng)、全系地位要素結(jié)構(gòu)化的提取、機(jī)構(gòu)化語(yǔ)音模型按需重建，工作量比原來要大得多。要解決空天地立體化組合全空間的數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，有衛(wèi)星、汽艇、飛機(jī)、無人機(jī)、地面移動(dòng)系統(tǒng)、手機(jī)等各種數(shù)據(jù)采集手段。
5G信號(hào)仿真要靠三維模型，高清駕駛地圖要靠三維模型，城市精細(xì)化管理、可視化分析等都需要用三維實(shí)景模型。要構(gòu)建空天的立體化主臥室高效的觀測(cè)手段，用人工智能、5G網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)算區(qū)塊鏈技術(shù)來提高海量數(shù)據(jù)處理和智能化水平，用三維模型做智能駕駛信號(hào)仿真、城市精細(xì)化管理方面的推廣應(yīng)用。
無人機(jī)視頻數(shù)據(jù)能做到實(shí)時(shí)目標(biāo)的檢測(cè)和跟蹤，數(shù)據(jù)用5G傳下來很快，就可以進(jìn)行檢測(cè)移動(dòng)目標(biāo)，邊接收邊跟蹤邊處理。
認(rèn)路機(jī)器人，可以做三維建模的數(shù)據(jù)采集，可以自動(dòng)地爬樓梯，可以自動(dòng)避開障礙物，實(shí)現(xiàn)傳感、測(cè)量、控制、感知的一體化，把這樣的器件做成一個(gè)很小的器件，上面有北斗GPS芯片、有通信的芯片、有光導(dǎo)和影像傳感器，把它們做在一起就能代替人開汽車，放到自動(dòng)駕駛汽車上去。
要把大數(shù)據(jù)用起來。比如武漢市管理三四百萬輛汽車、450萬個(gè)駕駛員、5萬多條道路，三維實(shí)景地圖上會(huì)有許多數(shù)據(jù)，要抓智能化、大眾化的應(yīng)用。
未來5G和6G可以全球全覆蓋，實(shí)現(xiàn)一星多用、多星組網(wǎng)、多網(wǎng)融合智能服務(wù)。希望解決實(shí)質(zhì)導(dǎo)向增強(qiáng)，提高到分米級(jí)，甚至于到厘米級(jí)的自動(dòng)駕駛水平，遙感到分米級(jí)五分鐘的時(shí)間響應(yīng)速度，全球?qū)拵采w的通信。
在5G和人工智能時(shí)代，抓好真三維實(shí)景，建設(shè)我國(guó)自主的通導(dǎo)遙一體化空天信息實(shí)時(shí)智能服務(wù)系統(tǒng)，抓好空間信息的自動(dòng)化、智能化、社會(huì)化、大眾化和實(shí)時(shí)化服務(wù)，以測(cè)繪、遙感和地理信息技術(shù)中心的地球空間信息學(xué)，其創(chuàng)新發(fā)展的道路十分寬廣，前途光明。
對(duì)地觀測(cè)腦、智慧城市腦和智能手機(jī)腦的構(gòu)想
面對(duì)大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，將人工智能應(yīng)用于地球空間信息學(xué)，可以提升地球空間信息處理的感知認(rèn)知能力，實(shí)現(xiàn)地球空間信息學(xué)對(duì)所獲取的數(shù)據(jù)快速處理、提取有用信息和驅(qū)動(dòng)相應(yīng)應(yīng)用的過程。
在近地外層空間上，在從數(shù)字地球向智慧地球發(fā)展的過程中，對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星的空間分辨率、光譜分辨率、時(shí)間分辨率等不斷提高，各國(guó)掀起了高分辨率遙感衛(wèi)星研制的熱潮。我國(guó)也相繼發(fā)射資源系列、遙感系列和高分系列高分辨衛(wèi)星，使在軌衛(wèi)星數(shù)量達(dá)235顆以上。它們將滿足正常需求和基于特定任務(wù)目標(biāo)需求的快速響應(yīng)、持續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。
物聯(lián)網(wǎng)是通過射頻識(shí)別、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感器設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。具體地說，就是把感應(yīng)器嵌入和裝備到電網(wǎng)、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統(tǒng)、大壩、油氣管道等各種物體中，普遍連接，形成物聯(lián)網(wǎng)。
物聯(lián)網(wǎng)極大地促進(jìn)了智慧城市的建設(shè)與發(fā)展，使城市中的“萬物互聯(lián)”成為可能。物聯(lián)網(wǎng)促使城市擁有了上千萬個(gè)智能傳感器，如我國(guó)城市已擁有2000多萬個(gè)視頻攝像頭，可以提供PB和EB級(jí)的連續(xù)圖像。
在個(gè)人尺度上，智能手機(jī)作為最普及的移動(dòng)設(shè)備，在分析測(cè)試方面具有巨大潛力，它帶有越來越多的傳感器：加速計(jì)、麥克風(fēng)、攝像頭、陀螺儀、定位裝置等，可以方便地獲得各種數(shù)據(jù)和信息，如捕獲人類行為數(shù)據(jù)、記錄位置信息、感測(cè)環(huán)境變化，甚至可以為相關(guān)科學(xué)研究記錄和分析數(shù)據(jù)，成為無所不在、人人擁有的大眾傳感器，成為人們生活中最受歡迎的電子設(shè)備。
因此，在地球空間的宏觀、中觀、微觀3個(gè)尺度上分別形成對(duì)地觀測(cè)腦、智慧城市腦和智能手機(jī)腦3個(gè)高度智能化系統(tǒng)，是完全切實(shí)可行的。
宏觀尺度上的對(duì)地觀測(cè)腦是通過將通信、導(dǎo)航、遙感衛(wèi)星一體化組網(wǎng)，并與人工智能和天地云計(jì)算相結(jié)合而形成的一種模擬腦感知、認(rèn)知過程的智能化天基信息實(shí)時(shí)服務(wù)系統(tǒng)。利用在軌影像處理技術(shù)、星上數(shù)據(jù)計(jì)算分析技術(shù)等對(duì)獲取的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理分析，再通過星間通信鏈路和天地通信網(wǎng)的融合，將它們傳送給全球任一需要服務(wù)的對(duì)象的智能終端。
中觀尺度上的空間認(rèn)知是智慧城市腦，它是在數(shù)字城市建立的網(wǎng)絡(luò)空間上，通過物聯(lián)網(wǎng)各種傳感器自動(dòng)和實(shí)時(shí)地采集現(xiàn)實(shí)城市中人和物各種狀態(tài)和變化的大數(shù)據(jù)，利用人工智能和數(shù)據(jù)挖掘等智能手段，由云計(jì)算中心處理其中海量和復(fù)雜的計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市的感知、認(rèn)知與控制反饋，為城市應(yīng)急、城市管理、智能制造、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和大眾百姓提供各種智能化的服務(wù)的一種城市運(yùn)行管理服務(wù)系統(tǒng)。
微觀尺度上的空間認(rèn)知是智能手機(jī)腦，它利用手機(jī)和智能手表上的加速計(jì)、麥克風(fēng)、攝像頭、陀螺儀、定位裝置和人體健康參數(shù)測(cè)量?jī)x等各種傳感器，能實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外優(yōu)于1m的定位精度，通過實(shí)時(shí)捕獲人類行為數(shù)據(jù)、記錄位置信息、感測(cè)環(huán)境變化和手機(jī)主人的健康參數(shù)(血壓、血糖、血脂、心率、脈搏、心電圖)等數(shù)據(jù)信息，通過手機(jī)內(nèi)置高度智能芯片對(duì)各種數(shù)據(jù)進(jìn)行上下文分析推理。這種智能手機(jī)腦可分析手機(jī)持有人的行為學(xué)、健康學(xué)、生理學(xué)和心理學(xué)，并可成為主人的智能助理。
對(duì)地觀測(cè)腦、智慧城市腦和智能手機(jī)腦是我們學(xué)習(xí)理解腦認(rèn)知、實(shí)現(xiàn)空間認(rèn)知的新跨越，是地球空間信息科學(xué)發(fā)展的新使命，需要廣大科研人員投身到時(shí)空大數(shù)據(jù)與人工智能的集成創(chuàng)新研究中，為研制各種各樣的對(duì)地觀測(cè)腦、智慧城市腦和智能手機(jī)腦作出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。(李德仁)
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